Kegiatan 4 Kinetika kimia
-
Upload
humayra-faja-syams -
Category
Documents
-
view
1.469 -
download
8
Transcript of Kegiatan 4 Kinetika kimia
KEGIATAN 4
KINETIKA KIMIA
A. Tujuan
Kegiatan ini dimaksudkan untuk membantu guru dalam memahami konsep-
konsep dalam kinetika kimia. Beberapa konsep yang perlu dipahami guru antara lain
Laju Reaksi, Hukum Laju, Waktu Paruh, Orde reaksi, Mekanisme reaksi, dan
ketergantungan reaksi pada temperatur.
B. Uraian
I. Petunjuk Belajar
Setelah membaca pokok-pokok dan hal yang penting, mulailah mempelajari
contoh soal, kemudian mengerjakan soal-soal latihan. Untuk membuktikan apakah kita
sudah mampu atau belum dalam mengerjakan soal latihan, disarankan tanpa melihat
contoh uraian. Bila belum bisa mengerjakannya baca lagi materi dan lakukan latihan
sampai benar-benar telah dipahami.
II. Uraian Materi
1. Pendahuluan
Pada termodinamika kimia dibahas arah reaksi, spontanitas reaksi terkait dengan
perubahan energi bebas. Energi bebas dapat diramalkan apakah suatu proses atau
reaksi dapat berlangsung atau tidak. Tetapi termodinamika tidak menjawab berapa
lama proses atau reaksi berlangsung, bagaimana mekanisme perubahan pereaksi
menjadi hasil. Dalam mempelajari suatu reaksi tidak cukup hanya dengan
termodinamika, tetapi diperlukan pula kinetika kimia. Kinetika kimia membahas
tentang kecepatan reaksi, faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi, orde
reaksi dan mekanisme reaksi. Kecepatan reaksi berkaitan dengan besarnya perubahan
suatu zat terhadap fungsi waktu.
Ada dua alasan dasar mengapa kecepatan reaksi dipelajari : pertama kecepatan
reaksi dipelajari untuk memprediksi waktu yang diperlukan oleh suatu reaksi dari
campuran sehingga tercapai kesetimbangan. Kecepatan reaksi dipengaruhi oleh
Kinetika Kimia 86
konsentrasi, temperatur, tekanan dan pemberian katalis serta faktor lainnya. Dari ke
empat faktor ini, melalui pemilihan kondisi laju reaksi dihasilkan sesuai dengan yang
diinginkan. Alasan kedua kita mempelajari kecepatan reaksi adalah untuk mempelajari
atau mengetahui mekanisme reaksi. Terjadinya suatu reaksi mungkin berupa tumbukan
reaktif dalam fasa gas dan mungkin juga berupa pertemuan reaktif dalam fasa larutan.
2. Kecepatan reaksi
Kecepatan reaksi adalah besarnya perubahan zat yang bereaksi terhadap waktu.
Data yang diperlukan untuk menghitung kecepatan reaksi adalah konsentrasi reaktan
yang membentuk produk dan waktu yang diperlukan untuk reaksi. Skema variasi
reaktan dan produk sebagai fungsi waktu dapat digambarkan sebagai berikut.
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50Waktu
kon
sen
trsi reaktan
produk
Gambar 1. variasi konsentrasi reaktan dan produk
Gambar 1. Menunjukkan bahwa
konsentrasi reaktan menurun sampai
tercapainya harga kesetimbangan
dan konsentrasi produk meningkat
dari mula-mula berharga nol sampai
terciptanya keadaan kesetimbangan.
Gambar di atas seperti halnya penguraian ozon menjadi oksigen reaktan adalah O3 dan
produknya adalah O2, dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi
2O3 3O2
Selama reaksi berlangsung selang waktu (t), terjadi pengurangan konsentrasi O3 dan
peningkatan konsentrasi O2. Laju reaksi dapat dinyatakan dari pengurangan zat O3 dan
penambahan zat O2.
Laju pengurangan = atau Laju pembentukan =
Tanda negatif menunjukkan bahwa O3 berkurang, sedangkan untuk O2 positif karena
bertambah.
Kinetika Kimia 87
3. Stoikiometri Laju reaksi
Suatu reaksi kimia dengan dua pereaksi A1 dan A2 dengan dua hasil reaksi A3
dan A4 dapat dinyatakan sebagai berikut :
1A1 + 2A2 3A3 + 4A4 (1)
dimana sebagai koefesien stoikiometri. Di sini akan digunakan konvensi bahwa
koefisien stoikiometri positif untuk hasil reaksi dan negatif untuk pereaksi (reaktan),
sehingga reaksi kimia umum dapat ditulis sebagai :
0 = ΣνiAi (2)
dengan νi sebagai koefesien spesies i yang terlibat dalam reaksi dan Ai spesies i dalam
reaksi. Jumlah mol dari spesies ke i (ni ) diberikan dengan,
(3)
dengan (dibaca Xi ) adalah cakupan reaksi (advancement of the reaction) nio adalah
jumlah mol spesies ke-i pada waktu awal, yaitu saat harga =
0. Dengan mendiferensialkan terhadap waktu, didapatkan,
(4)
Laju reaksi didefinisikan sebagai laju kenaikan cakupan reaksi :
laju reaksi =
(5)
Contoh Soal 1.
Tuliskan ungkapan laju reaksi terhadap pengurangan reaktan dan penambahan
produk.:
aA cC + dD (6)
Penyelesaian
Ingat untuk koefesien reaktan harga νA = -a, maka dari persamaan 5 didapatkan
Kecepatan reaksi =
Contoh Soal 2.
Kinetika Kimia 88
Dengan cara yang sama selesaikan persamaan laju untuk reaksi :
2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)
Penyelesaian :
laju reaksi untuk reaksi ini dapat ditulis dengan menghubungkan jumlah mol yang
berubah seperti :
Laju =
dimana : = laju pengurangan N2O5
= laju pembentukan NO2
= laju pembentukan O2
Contoh Soal 3.
Laju Pembentukan NO(g) dalam reaksi : 2NOBr(g) 2NO(g) + Br2(g) adalah 1,6 x
10-4 M s-1 . Berapa laju reaksi dan laju penguraian NOBr ?
Penyelesaian
* Laju reaksi :
Laju reaksi = v
= ½ x (1,6 x 10-4 M.s-1 )
= 0,8 x 10-4 M.s-1
* Laju penguraian NOBr :
=1,6 x 10-4 M S-1
4. Hukum Kecepatan Reaksi
Persamaan yang menyatakan kecepatan sebagai fungsi konsentrasi setiap zat
yang mempengaruhi laju reaksi disebut hukum laju atau persamaan laju untuk reaksi.
Hukum kecepatan reaksi hanya dapat ditentukan dengan eksperimen dan tidak dapat
disimpulkan hanya dari persamaan reaksi. Kecepatan reaksi merupakan fungsi
temperatur, tekanan, dan konsentrasi dari semua komponen yang bereaksi reaksi.
Selain itu juga untuk reaksi homogen (misal dalam fasa gas) kecepatan reaksi juga
Kinetika Kimia 89
proporsional dengan volume (V). Jika reaksi terjadi pada suatu permukaan aktif maka
kecepatan reaksi proporsional terhadap luas dari permukaan aktif (A).
Jika reaksi homogen, kecepatan reaksi tidak dipengaruhi oleh permukaan aktif , maka
reaksi hanya akan dipengaruhi oleh konsentrasi, temperature, dan tekanan. Pengaruh
tekanan hanya terjadi pada reaksi yang memiliki fasa gas. Untuk persamaan reaksi
A + B + C hasil
hukum kecepatan reaksi yang ditulis dalam bentuk,
V = (7)
dimana [A][B][C] adalah notasi dari konsentrasi spesies yang terlibat, dan k adalah
tetapan, total , , sebagai orde reaksi.
Rumusan ini disebut hukum kecepatan untuk suatu reaksi homogen. Hukum ini
ditentukan dengan percobaan dan tidak boleh diramalkan dari persamaan stoikiometri
untuk total reaksi. Sebagai contoh hukum kecepatan pada reaksi antara H2 dan Br2 :
H2(g) + Br2(g) 2HBr(g)
V =
(8)
Salah satu obyek dalam percobaan kinetika adalah membuktikan alasan bentuk
mekanisme yang sesuai dengan pendekatan hukum kecepatan reaksi.
Langkah yang penting pada setiap kinetika adalah penentuan komponen yang aktif dari
sistem reaksi tersebut yang diukur dari perubahan konsentrasi dalam unit volume.
Jika konsentrasi produk memberikan pengaruh langsung pada komponen aktif dari
sistem reaksi maka disebut Auto-katalitik (untuk pengaruh positif) dan auto-inhibisi
(untuk pengaruh negatif). Hubungan fungsi antara kenaikan konsentrasi dari produk
atau pengurangan konsentrasi reaktan dalam satuan waktu pada suatu reaksi disebut
kecepatan reaksi. Pada umumnya kecepatan reaksi dapat diramalkan dengan hanya
mengetahui persamaan stiokiometri. Tetapi tidak semua reaksi dapat dibuat semacam
itu sebagai contoh reaksi Bromine atau Iodin dengan hidrogen yang mempunyai
stoikiometri sama tetapi kecepatan reaksinya sangat berbeda bentuknya.
Br2(g) + I2(g) 2BrI(g)
Kinetika Kimia 90
V=
(9)
H2(g) + Br2(g) 2HBr(g)
v =
(10)
Contoh Soal 4.
Isopren merupakan suatu senyawa yang digunakan untuk membuat karet alam
membentuk dimmer yang disebut dipenten, suatu dimmer dari pembentukan dua
molekul
Bagaimanakah hukum laju untuk reaksi, jika data kecepatan awal untuk
pembentukan dipenten sebagai berikut
Konsentrasi Isopren (mol L-1) Kecepatan pembentukan awal
dipenten (mol L-1 s-1)
0,5
1,5
1,98
17,8
Penyelesaian
Kita menganggap hukum laju pembentukan V = k [Isopren]x
x = 2
Laju = k [isoprene]2
5. Reaksi Orde satu
Untuk suatu reaksi dekomposisi sederhana dengan tipe reaksi yang memiliki koefesien
reaksi satu ditulis dengan,
A hasil reaksi
Kinetika Kimia 91
Reaksi di atas disebut reaksi orde satu karena kecepatan reaksi berbanding langsung
dengan konsentrasi reaktan [A] dan tidak tergantung pada konsentrasi hasil reaksi.
Hukum kecepatan reaksi untuk reaksi orde ke satu dapat ditulis
v= = k [A] (11)
dengan [A] adalah konsentrasi A. bila diintegralkan terhadap waktu dengan batasan t =
0 ketika [A] =[A]o terhadap waktu t, didapatkan
(12)
atau dapat juga ditulis [A] = [A]oe-kt (13)
bentuk persamaan ini tetapan laju k dapat dihitung dari grafik ln [A] terhadap t dari
persamaan berikut :
ln [A] = ln [A]o - kt. (14)
sehingga diperoleh -k sebagai slopenya
Contoh Soal 5.
Berikut ini diberikan data reaksi : A produk pada berbagai variasi waktu
Pengukuran 1 2 3 4 5 6
T (detik) 0 5 10 15 20 25
[A] (mol/L) 0,5 0,36 0,25 0,19 0.14 0,10
Buatlah grafik hubungan antara log [A] vs t
Simpulkan apakah reaksi orde ke satu atau bukan.
Tentukan harga k
Penyelesaian
T (detik) 0 5 10 15 20 25
[A] (mol/L) 0,5 0,36 0,25 0,19 0.14 0,10
Log [A] -0,301 -0,444 -0,585 -0,721 -0,852 -1,0
Grafik hubungan antara log [A] vs t data di atas adalah
Kinetika Kimia 92
Gambar 2. Kurva reaksi orde pertama : log C versus t
b. Dari persamaan 12 bahwa , ingat ln a = 2,303 log a.
log [A] – log [A]0 = - (1/2,303)kt. (15)
Jika grafik hubungan antara log [A] lawan t membentuk garis lurus, Gambar 2
memenuhi persamaan garis lurus, maka data tesebut berasal dari reaksi orde satu
c. Dari persamaan log [A] = log [A]0 - (1/2,303) kt, harga slope = - (1/2,303)k
k = 6,4 x 10-2 detik
Penguraian N2O5 berikut merupakan salah satu contoh dari reaksi orde satu :
2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)
6. Reaksi Orde Dua
6.1 Reaksi Orde Dua dengan satu reaktan
Contoh yang paling sederhana dari reaksi orde-dua adalah reaksi yang
kecepatannya sebanding dengan kuadrat dari konsentrasi satu pereaksi. Dari reaksi
dekomposisi dibawah ini,
A hasil reaksi
bila reaksi ini diasumsikan dengan reaksi orde-dua, dengan [A] adalah konsentrasi A
pada waktu tertentu hukum laju dapat ditulis:
(16)
hasil integrasi dari ([A]o, 0) ke ([A], t) :
Kinetika Kimia 93
diperoleh : (17)
Persamaan yang dihasilkan ini adalah untuk reaksi orde-dua yang hanya terdiri dari
satu komponan reaktan. Harga k dapat dihitung dari grafik antara 1/c versus t , k
sebagai slope.
Waktu paruh dari reaksi orde-dua ini diberikan oleh persamaan :
(18)
Contoh Soal 5.
Suatu reaksi A B + C mengikuti reaksi orde ke dua, hitunglah konstanta
kecepatan reaksi bila data yang dihasilkan adalah sebagai berikut :
Pengukuran 1 2 3 4 5
Waktu (jam) 0 1 2 4 6
Konsentrasi (M) 0,6 0,45 0,36 0,26 0,20
Penyelesaian
Karena reaksinya terdiri dari satu reaktan , maka penentuan k dapat ditentukan dengan
membuat plot antara 1/[A] versus t. Dengan demikian data data dapat dibuat hubungan
antara t dan 1/[A] sebbagai berikut.
Pengukuran 1 2 3 4 5
Waktu (jam) 0 1 2 4 6
Konsentrasi (M) 0,6 0,45 0,36 0,26 0,20
1/[A] 1,67 2,22 2,78 3,85 5,00
Grafik hubungan antara 1/[A] versus t di dapat sebagai berikut.
Kinetika Kimia 94
Gambar 3. Kurva reaksi orde dua
Dari persamaan , maka hubungan antara 1/[A] dengan t didapat harga
slope = k = 0,553 jam-1
6.2 Reaksi Orde-dua dengan dua reaktan
Reaksi orde dua yang terdiri dari dua macam reaktan yang konsentrasinya
berbeda, secara stoikiometri dituliskan dengan persamaan reaksi :
A + B produk (19)
bila reaksi ini mengikuti reaksi orde-satu terhadap A dan orde- satu terhadap B, maka
laju reaksi dapat ditulis,
v= (20)
dimisalkan konsentrasi reaktan yang terurai x, dan pertambahan dalam waktu t
sebanding dengan pengurangan reaktan,
, (21)
maka laju reaksi dapat diungkapkan dengan persamaan,
(22)
Dengan dimisalkan konsentrasi A mula-mula adalah a konsentrasi B mula-mula adalah
b dan pada waktu t masing-masing terurai sebesar x. Maka kecepatan reaksi untuk
orde-dua seperti yang dituliskan pada persamaan 22 dapat ditulis :
Kinetika Kimia 95
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6
t(Jam)
1/[
A]
(23)
untuk menyelesaikan persamaan ini ke dalam bentuk integral, ada dua kemungkinan
yang dapat dihasilkan. Bila konsentrasi konsentrasi A dan B mula-mula sama, a = b,
persamaan tersebut dapat disederhanakan sebagai berukut :
(24)
hasil integrasi dari persamaan ini diperoleh hubungan sebagai berukut :
(25)
dengan x sebagai konsentrasi reaktan yang bereaksi selama waktu t, a konsentrasi
mula-mula dari reaktan A dan B, dan k konstanta kecepatan reaksi. Pada waktu
setengah umur atau waktu paruh, x yang terbentuk besarnya sama dengan ½ a. Maka
besarnya waktu paruh,
tka1 2
1/ (26)
Kalau konsetrasi reaktan A dan B tidak sama, a b, laju reaksi seperti yang tertulis
pada persamaan 26 tidak dapat disederhanakan. Penyelesaian persamaan tersebut
dapat dilakukan dengan matematika fraksi parsial. Hasil yang didapat diintegrasikan
terhadap t sehingga didapatkan persamaan akhir
(27)
dimana : k = konstanta kecepatan reaksi
t = waktu
a = konsentrasi A mula-mula
b = konsentrasi B mula-mula
x = konsentrasi A atau B yang bereaksi pada waktu t.
Di sini perhitungan waktu paruh ada dua keadaan yang mungkin didapatkan,
pertama bila konsentasi a berlebih maka besarnya x = ½ b. besarnya waktu paruh
untuk kondisi ini adalah :
(28)
bila konsentrasi b yang berlebih, maka harga x = 1/2
Kinetika Kimia 96
(29)
Contoh Soal 6.
Suatu reaksi orde ke dua telah ditemukan, A + B C
Dalam suatu larutan mula-mula yang terdiri dari 0,40 M zat A dan 0,7 M zat B.
setelah 1 jam konsentrasi A ditemukan 0,15 M. Hitung konstanta kecepatan reaksi !.
Penyelesaian
Reaksi di atas adalah tipe reaksi dengan konsentrasi reaktan mula-
mula tidak sama, sehingga
a – x = 0,15 M
x = 0,25 M
b - x = 0,45 M
k =
k = 1,8 M-1Jam-1
7. Reaksi Orde-Tiga
7.1 Reaksi Orde-tiga dengan tiga reaktan
Gambaran untuk persamaan stoikiometri suatu reaksi yang terdiri dari tiga reaktan.
A + B + C hasil
reaksibila konsentrasi yang bereaksi pada ketiga reaktan sama, dimisalkan x dan
konsentrasi mula-mula untuk A, B, dan C masing-masing dinyatakan dengan a, b, dan
c. maka hukum laju reaksi dapat ditulis,
(30)
integrasi persamaan 30. Pada to = 0 x=0 dan pada waktu t yang bereaksi = x
(31)
hasil integrasi dengan menggunakan fraksi parsial didapatkan :
(32)
Kinetika Kimia 97
Atau
(33)
7.2 Reaksi Orde-tiga dengan dua reaktan
Reaksi yang terdiri dari dua reaktan mengikuti kecepatan reaksi orde-tiga, secara
sederhana dapat digambarkan apabila salah satu reaktan mempunyai orde satu dan
yang satunya mempunyai orde dua
A + 2 B produk.
konsentrasi A yang terurai pada waktu yang sama sebanding dengan dua kali
konsentrasi B {(a-x)=(b-2x)}, maka laju reaksi dapat ditulis dengan :
(34)
bentuk integrasi x terhadap t, adalah :
(35)
Persamaan ini bila diselesaikan secara matematika akan didapatkan,
(36)
8. Waktu Paruh
Waktu paruh dari suatu reaksi adalah waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi
setengahnya dari besarnya konsentrasi pereaksi semula.
8.1 Waktu Paruh Reaksi Orde satu
Untuk reaksi orde satu didapatkan hubungan waktu paruh dengan harga k,
(37)
Contoh Soal 7.
Kinetika Kimia 98
Turunkan ungkapan lamanya waktu yang diperlukan untuk konsentrasi reaktan
menjadi setangah dari konsentrasi awal orde satu.
Penyelesaian
Hasil integrasi dari persamaan reaksi orde pertama adalah :
-ln = k t
kita menginginkan waktu cA = 1/2cA,0, yang didefinisikan dengan t1/2, sehingga
-ln = k t1/2
t1/2= ln 2 =
8.2 Waktu Paruh Reaksi Orde Dua
Waktu paruh untuk reaksi orde dua untuk reaksi A produk dapat di rumuskan
dari persamaan 17, yaitu . Pada saat reaktan tinggal setengahnya
dari konsentrasi semula, maka t = t1/2, [A] = 0,5[A]0. Sehingga besarnya t1/2 adalah :
t1/2 = (38)
Contoh Soal 8.
Turunkan ungkapan untuk menghitung waktu paruh suatu reaksi orde dua dengan tipe
pereaksi tunggal
Penyelesaian
Integrasi dari persamaan 17 dengan mengsubtitusikan t = t1/2, dan [A] = 0,5[A]0
t1/2 =
8.3 Waktu Paruh Reaksi Orde Lainnya
Kinetika Kimia 99
Dari persamaan 41, terlihat bahwa pangkat konsentrasi awal menunjukkan
jumlah orde dikurang satu. Rumus umum dari waktu paruh dapat ditulis :
t1/2 ∞ (39)
Untuk orde nol t1/2 = , (40)
dan ordea tiga : t1/2 = (41)
9. Penentuan Orde Reaksi
Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menentukan Orde reaksi
suatu reaksi dari data eksperimen diantaranya adalah dengan metoda grafik, metode
setengah reaksi dan metode laju mula-mula.
9.1 Metode Grafik
Data laju reaksi berdasarkan hasil eksperimen dapat di buat dalam bentuk grafik
dengan mengikuti hubungan melalui persamaan hasil integrasi laju reaksi. Jika grafik
yang dihasilkan dari data eksperimen memenuhi persamaan (17) yaitu grafik
hubungan ln C versus t membentuk garis lurus, maka reaksinya adalah orde satu.
Seandainya grafik yang diperoleh dari hubungan antara 1/c versus t didapatkan garis
lurus dapat disimpulkan reaksi orde dua.
9.2 Metode Kecepatan Awal
Untuk reaksi dengan dua reaktan atau lebih, eksperimen penentuan orde reaksi
dapat dilakukan dengan membuat perbedaan konsentrasi awal pada salah satu reaktan,
sedangkan yang lainnya dibuat dengan konsentrasinya sama. Berikutnya reaktan yang
mulanya sama dibuat berbeda, sedangkan yang lainnya sama. Yang mendasari asumsi
ini bahwa untuk waktu yang singkat, semua konsentrasi pada dasarnya tetap. Metode
ini tidak bisa dipakai jika “induksi periodik” terjadi sebelum steady state.
Contoh Soal 9.
Dari data berikut, tentukan orde dengan mengikuti tiap reaktan untuk reaksi
Kinetika Kimia 100
A + B produk.
Perlakuan cA cB Kecepatan Mula
1 1,0 0,8 0,08
2 0,5 0,8 0,02
3 0,5 1,6 0,04
Penyelesaian
Pesamaan kecepatan untuk reaksi
v = k [A]x[B]y
Untuk reaktan A dipilik yang konsen-
trasi B tetap, kita membandingkan
perlakuan 1 dan 2, Membandingkan
rasio dari 2 persamaan.
x = 2
Untuk reaktan B, kita menggunakan
perlakuan 2 dan 3 dimana konsentrasi
reaktan A sama
y = 1
Persamaan laju eksperimen adalah
v = k[A]2[B]
9.3 Metode Waktu Paruh
Metode ini dapat dilakukan dengan membuat dua perlakuan dengan konsentrasi
mula-mula yang berbeda. Pada masing-masing ditentukan waktu paruhnya. Jika waktu
yang diperlukan untuk reaksi sama, maka reaksinya merupakan orde pertama, Jika
tidak sama, orde reaksinya dihitung dengan menggunakan rasio perbandingan.
Contoh Soal 10.
Turunkan ungkapan untuk menentukan orde reaksi dengan metode waktu paruh
dengan berdasarkan perbedaan konsentrasi awal
Penyelesaian
Ungkapan umum untuk waktu paruh adalah
dengan menggunkan logaritma, maka orde
reaksi adalah :
Kinetika Kimia 101
t1/2 = ,
rasio perbandingan antara dua perlakuan dapat ditulis :
p = +1
10. Pengaruh Temperatur pada Laju Reaksi
Umumnya kecepatan reaksi meningkat dengan peningkatan temperatur.
Kenaikannya tergantung pada sifat dari macam zat yang bereaksi. Di bawah ini
ditunjukkan beberapa perubahan kecepatan reaksi seiring dengan perubahan
temperatur reaksi.
Gambar 4. Bentuk laju reaksi sebagai fungsi terperatur
Pada kurva (a) tipe reaksi yang paling banyak dijumpai, (b) tipe reaksi peledakan ( c)
suatu tipe raksi hidrogenasi katalis dan tipe reaksi enzim sedangkan (d) tipe reaksi
seperti NO dengan O2.
Tipe reaksi a adalah tipe reaksi yang mengikuti persamaan Arrhenius, sedangkan
tipe b s/d d merupakan tipe reaksi yang bertentangan dengan persamaan Arrhenius.
Reaksi yang mengikuti persamaan Arrhenius biasanya kecepatannya meningkat
menjadi dua kali atau tiga kali lebih besar dengan kenaikan temperatur 10 oC. Dengan
persamaan Arrhenius
atau (42)
bila Ea adalah energi aktivasi yang harganya konstan pada interval temperatur tertentu,
hasil integrasi
Kinetika Kimia 102
a b c ctemperatur
laju
(43)
atau dapat ditulis
(44)
dari grafik k lawan t dari persamaan ini dapat dihasilkan seperti gambar berikut
Gambar 5. Kurva k versus T persamaan Arrhenius
Contoh Soal 11.
Suatu reaksi mula-mula dilakukan pada suhu kamar, ketika suhu reaksi dinaikkan
menjadi 10 oC, kecepatan reaksi meningkat dua kali dari kecepatan semula, Hitung
energi aktivasi Ea.
Penyelesaian
Pada dua temperatur yang berbeda, kita dapat mengintegralkan persamaan Arrheniuss.
Jika kecepatan meningkat dua kali, berarti rasio tetapan laju adalah 2. temperatur
dipilih dari 290 K – 300 K.
Ea= R ln =
Ea = 8,314 JK-1 mol-1ln 2
= 50,1 kJ mol-1
11. Mekanisme Reaksi
Mekanisme reaksi menyatakan deretan reaksi yang mungkin terjadi dalam reaksi
kimia. Mekanisme reaksi kimia biasanya menjelaskan tahapan-tahapan mulai dari
perubahan reaktan sampai menjadi produk. Mekanisme reaksi yang diusulkan harus
Kinetika Kimia 103
sesuai dengan hukum kecepatan reaksi yang didapatkan dari eksperimen. Misalkan
dalam pembentukan gas fosgen dari karbon monoksida dan Cl2.
CO + Cl2 COCl2
reaksi di atas hanya menggambarkan bentuk reaktan dan produknya saja. Sedangkan
mekanisme yang dimaksud adalah bagaimana langkah-langkah reaksi yang terjadi
sehingga CO dan Cl2 itu bisa menghasilkan COCL2.
Berdasarkan percobaan hukum kecepatan untuk reaksi pembentukan COCl2
adalah
= k[Cl2]3/2[CO] (48)
Mekanisme yang mungkin terjadi dalam reaksi ini adalah :
Cl2 2Cl* Step 1
Cl* + CO ClC*O Step 2
ClC*O + Cl2 COCl2 + Cl* Step 3
Step 1 merupakan tahap pembentukan radikal Cl*, Step 2 merupakan penguraian Cl*
bereaksi dengan CO, step 3 memproduksi kembali Cl* yang kemudian terurai step 2.
Mekanisme di atas bahwa pada step 1 merupakan reaksi awal, step ini merupakan
tahap penentu kecepatan reaksi karena mempengaruhi jumlah Cl* yang ada.
Contoh Soal 12.
Buktikan hukum laju dengan pembentukan COCl2menggunakan mekanisme reaksi
step 1, 2 dan 3 di atas
Penyelesaian
= -k(-3)[Cl2CO][Cl*] + k3[ClC*O][Cl2]
= 2k1 + [Cl2] - 2k(-1)[Cl*]2 – k2[Cl*][CO] +
K(-2)[ClC*O] -k-3[Cl2CO][Cl*] + k3[ClC*O][Cl2]
Langkah berikutnya adalah menentukan reaksi pembatas, yaitu menentukan
reaksi yang kecepatannya paling lambat. Reaksi yang paling lambat sebagai penentu
laju reaksi. Reaksi pembatasnya adalah kecepatan pembentukan COCl2
Kinetika Kimia 104
= k3[ClC*O][Cl2]
K1 = ; K2 =
Hilangkan [Cl*] dari dua persamaan kesetimbangan di atas sehingga menghsilkan
[ClC*O] = K2[Cl*][CO] = K2 [Cl2]1/2[CO]
= k3 K2 [Cl2]1/2[CO][Cl2]
= k3 K2 [Cl2]3/2[CO]
= k[Cl2]3/2[CO]
Note : k = k3 K2
Contoh Soal 13.
Bagaimana mekanisme reaksi 2NO2 + F2 2NO2F. Secara eksperimen ditemukan
merupakan reaksi orde dua, persamaannya adalah
= k[NO2][F2]
Penyelesaian
Dari persamaan terlihat masing-masing komponen berpangkat 1, dengan demikian
keduannya merupakan tahap penentu laju (rate-determining step). Jika dihasilkan
molekul secara langsung, reaksinya akan dimulai dari
NO2 + F NO2F + F Step 1
Kita perlu untuk mengeliminasi atom F yang dibebaskan yaitu membutuhkan NO2F
yang kedua, sehingga keduanya bereaksi sebagai tahap berikutnya.
NO2 + F NO2F Step 2
Penjumlahan dari kedua tahap akan didapatkan
2NO2 + F2 2 NO
Dua tahap mekanisme reaksi yang mungkin tetapi yang sangat menentukan hanya satu.
Reaksi step 1 yang menentukan persamaan kecepatan secara eksperimen, hal ini
Kinetika Kimia 105
disimulkan sebagai rate-determining step. Selanjutnya kesimpulan itu diperkuat dari
fakta bahwa reaksi pada step 2 yaitu reaksi NO2 dengan F adalah reaktif, sehingga
reaksinya cepat.
Contoh Soal 14.
Perhatikan reaksi yang mempunyai mekanisme
A + B C (step 1)
C D (step 2)
Subskrip pada k menunjukkan orde reaksi yang sesuai dengan tanda panah dan tanda
minus di depannya menandai reaksi ke kiri. Orde reaksi diketahui karena ada reaksi
elementer, untuk yang molekularitasnya sama ordenya sama. Tiap step bisa
menghasilkan satu penentu kecepatan. Masing-masing berperan dalam memperoleh
persamaan kecepatan untuk menghasilkan D. Tunjukkan persamaan dalam bentuk
konsentrasi A dan B
Penyelesaian
Dimulai dari analisis secara umum untuk sistem sistem. Kecepatan pembentukan D
dirumuskan oleh
=k1[C] (i)
Konsentrasi dari D ditentukan oleh ketiga reaksi,
=k2[A][B]-k(-1)[C]-k1[
dengan pendekatan steady-state, [C] adalah konstan
=0=k2[A][B]-k(-1)[C]-k1[C] (ii)
Sekarang persamaan (ii) kita selesaikan untuk mendapatkan [C]
[C]= [A][B]
Subtitusikan ke dalam persamaan (i), akan dihasilkan ungkapan untuk semua situasi
= k1 [A][B] (iii)
Kinetika Kimia 106
Jika step 2 berjalan lambat, kita dapat menghilangkan k1[C] dalam persamaan (ii) dan
k1 dalam persamaan (iii)
=k1
Rasio k2/k(-1) adalah konstanta kesetimbangan untuk reaksi step 1, sehingga akan
didapatkan
=k1K[A][B]
Jika step 1 berjalan lambat, kita dapat menghilangkan k(-1) dengan kata lain sama
seperti A + B menghasilkan C dengan segera berubah menjadi D. Sehingga persamaan
(iii) menjadi :
= k2[A][B]
Pengukuran kecepatan reaksi melalui waktu reaksi akan terlihat besarnya pengaruh k1
dan k(-1). Sehingga akan ditemukan rate-determining state
C. Latihan
1. Hitung laju rata-rata penguraian N2O5, [ N2O5]/t, dari reaksi 2N2O5 (g) 4NO(g) + 3O2 (g)Selama selang waktu dari t = 600 s dan t = 1200 s. Gunakan data
di bawah iniWaktu (s) [N2O5](M)
600 1,24 x 10-2
1200 0,93 x 10-2
Kunci: 5,2 x 10-6 M s-1
2. Untuk reaksi orde pertama, A B + C, konsentrasi A mula-mula adalah 0,35 M. setelah 30 detik konsentrasinya tinggal 0,31 M. (a) hitung konstanta laju reaksi. (b) hitung konsentrasinya setelah 3 menit. (c) berapa detik waktu yang diperlukan agar reaktan bereaksi sebanyak 90 %
Kunci: k = 4 x 10-3 s-1 ; [N2O5]2 = 0,16 M
Kinetika Kimia 107
3. Reaksi 2NO2(g) 2NO(g) + O2(g) mengikuti reaksi orde dua dengan konstanta reaksi 12 M-1 menit-1. Jika dimulai dengan 0,4 mol NO2 dalam wadah 0,5 L . berapa banyak yang tersisa setelah bereaksi selama 2 jam.
Kunci: [NO2] sisa = 6,4 x 10-4 M
4. Reaksi A + B produk, mengikuti reaksi orde dua dengan hukum laju
. Tetapan reaksinya adalah 27,8 mol-1 dm-3 menit-1. Bila
konsentrasi mula-mula untuk A dan B masing-masing 0,05 mol dm-1 dan 0,02 mol dm-1. berapa lama untuk mereaksikan 95 % B.
Kunci: t = 3 menit
5. Hitung orde reaksi untuk data berikutNo CA,0(mol dm-1) T1/2(menit)
1 0,5 7,32 0,3 12,1
Kunci: reaksi orde dua
6. Tentukan konstanta laju dan orde reaksi untuk data berikut dengan mengunakan metode grafik
Waktu (s) 0 20 40 60 100Konsentrasi (mol dm-1) 0,200 0,165 0,142 0,121 0,089
Kunci:
y = -0.008x - 1.6266
R2 = 0.9983
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0 50 100 150
waktu
ln [
A]
Series1
Linear (Series1)
Reakasi Orde satu; k = 8 x 10-3
7. Laju penguraian radikal CH3* dalam reaksi : 2CH3* CH3-CH3
adalah 1,2 M s-1 pada kondisi tertentu dalam bejana 5,0 liter. Berapakaha. Laju reaksib. Laju pembentukan CH3-CH3
Kunci: a. Laju reaksi = 0,6 M s-1 b. laju pembentukan CH3-CH3)= 0,6 M s-1
8. Tuliskan ungkapan kecepatan reaksi dari tiga spesies yang terlibat dalam reaksi di bawah ini
aA + bB cC
Kinetika Kimia 108
Kunci: Laju Reaksi = VA = VB= VC
9. Diketahui data di bawah ini untuk reaksi 2NO2(g) 2NO(g) + O2(g)
[NO2] Laju awal pembentukan O2
(mol L-1 s-1)Eksperimen 1 0,01 7,0 x 10-5
Eksperimen 2 0,02 28 x 10-5
Tentukan orde reaksiKunci: Reaksi orde dua
10. Pada reaksi : P + Q R , didapatkan data No [P] mol/L [Q] mol/L Laju reaksi123
112
122
1 X 10-2
4 X 10-2
8 X 10-2
Tentukan hukum laju untuk reaksi di atas.Kunci: V = k [P][Q]2
11. Isomerisasi siklopropan C3H6 menjadi propilen CH2=CHCH3 adalah reaksi orde satu terhadap siklopropan dan reaksi orde satu keseluruhan. Tetapan laju pada 1000oC adalah 9,2 s-1. Hitung waktu paruh pada 1000oC. Hitung waktu yang diperlukan agar konsentrasi siklopropan menjadi 50 % dari konsentrasi semula, dan 25% dari konsentrasi semula.Kunci: t1/2 =75,34 x 10-3 s; t = 75,34 x 10-3 s; t = 150,7 x 10-3 s
12. Dekomposisi HI mempunyai konstanta kecepatan reaksi k = 0,079 L mol-1s-1 pada 508 oC dan k = 0,24 L mol-1s-1 pada 540 oC. Berapakah energi aktivasi reaksi dalam satuan kJ/mol.Kunci: Ea =1,68 x 102 kJ mol-1
13. Data reaksi antara zat A dan zat B didapatkan sebabagi berikut : [A] [B] Laju raksi1 1 20002 2 160009 3 162000
a. Tentukan reaksi orde keseluruhan b. Tentukan hukum laju reaksinya kunci a. Reaksi merupakan orde 3 b. Hukum laju : V = k[A][B]2
Kinetika Kimia 109
Kinetika Kimia 110